物理科

本研究以實驗方法觀察受聲波激擾的噴流之等溫流場特徵及燃燒火焰行為，探討聲波激擾對噴流的混合特性及燃燒性能之影響。使用熱線風速儀量測聲波激擾引致噴流出口速度振盪的特性；應用流場可視化技術，觀察噴流的流場特徵；藉著量測噴流之側向擴展寬度，比較噴流受聲波激擾之前與之後的混合與擴散特性。最後，丙烷作為噴流的流體，點燃噴流形成燃燒火焰。觀察燃燒火焰的顏色與外觀尺寸變化，探討聲波激擾對燃燒噴流的燃燒性能之改善。結果發現聲波激擾噴流時，藉著「回吸預混」、「渦漩形成、演化、捲入、破碎」與「紊流增強」效應等物理機制，有效提升噴流與週遭空氣的混合與擴散特性，因此，在實際燃燒噴流的工業應用，可以明顯的提升燃燒效率。

太白粉溶液這類的黏稠液體受到外來驅動而產生溶液表面波或整體震盪；其圖形看似紊亂，但實際上是亂中有序的！我們使用訊號產生器連接喇叭並將溶液倒入固定於喇叭上的燒杯，利用攝影機拍攝溶液波動圖形，並使用Windows movie Maker來分析影片。探討不同初始條件下(Ex：濃度、深度)改變訊號源(驅動源)之頻率，發現相同濃度下波動種類隨溶液深度上升而增加也越複雜，但相同深度不同濃度下，則無太大關聯，於濃度Ⅲ 有較多波動現象。發現溶液具有分層的現象；發現溶液擁有記憶效應。當f=5~15時，一定頻率下的電壓值會愈來愈低；但當ｆ＞15時，一定頻率下的電壓值會增加。

我們觀察到桐花落下的旋轉情形，設計實驗來分析旋轉的因素。吾以樂高機器人製作發射器，高2.8公尺，進行各種模型落下的實驗，發現： 1. 平面模型落下會亂飄，無法形成旋轉。 2. 利用花瓣彎曲或增加花萼重量(重量為花瓣總重量2倍以上)，讓模型穩定落下，形成氣流壓力差，成為旋轉的動力。 3. 發現花瓣越長，越易旋轉；三角形花瓣也優於長方形。 4. 花瓣俯視為右上左下重疊是順時針方向，左上右下是逆時針方向，我們也用氣流的分力來分析轉動因素。 5. 利用電扇，製作旋轉模擬器，以雷射光與光學感應器來記錄桐花模型旋轉的歷程，分析出3片花瓣的模型不易啟動，但轉動的末速度最快。 我們摘取櫻花、杜鵑花、雞蛋花、小雛菊，也發現它們都有順時針旋轉狀況。

本研究主要在探討影響圓筒滑翔機飛行距離的因素。我們將影響因素分為環境、操作和本質因素等三方面：為了控制好環境因素，我們選定了室內的多功能教室作為實驗地點。此外，為了避免人為操作的差異，我們以自製的發射器作為實驗工具，以控制發射時的「力道大小」和「發射角度」。針對圓筒滑翔機的本質因素，本研究進行了「內摺次數」、「不同紙質」和「紙張磅數」等實驗。研究結果發現，用影印紙所摺出來的圓筒滑翔機，適合用 200 gw 的力道，並以10度的發射角度進行施放，飛行狀況能較穩定又遠。手邊常見的紙質中，以粉彩紙較適合用來摺圓筒滑翔機。此外，以200磅的西卡紙所摺出來的圓筒滑翔機，其飛行距離會較佳。

生活中，常能看見美麗的彩光，除了偶然的巧遇外，藉由光碟、鏡子、防偽貼紙等簡單的材料及適當光源的配合，也能製造出彩光。利用不同顆粒大小的玻璃砂來模擬自然界中的小水滴，能夠產生霧虹及彩虹。布洛肯彩光第三代實驗環境下，證實可以在物距1m，燈距5、7.5、10、20m及物距2m、燈距10m，跟物距5m、燈距20m的條件下，以照相機模擬觀察者的眼睛，可以產生布洛肯彩光。研究結果可以破除人們對於布洛肯彩光的疑惑跟恐懼，使大家更加瞭解光和小水滴，所造成精彩、有趣的現象。 未來在特殊場景、都市美化及光線相關教學或是藝術創作的展現技巧方面，可利用第三代實驗環境方式，利用簡單的器材，就能營造出特別的光線變化，也兼具環保效益。

綠色能源種類繁多，風力發電乃其中發展最快速之一，已成為世界各國爭相發展之標的。而各類型風力發電機中，以垂直軸風力發電機最具噪音低、設置地點限制小、可吸收任何風向的能量等優勢，因此本研究針對它的各項變因進行探究，實驗結果證明：在風力機部分，葉片為6片不平均分散、葉長16公分&葉寬6公分的長方形、葉片攻角為75°、材質為珍珠板的組合，發電效果最佳；在發電機部分，則是採用16個強力磁鐵，與16個纏繞500匝的線圈，並搭配「磁鐵同極排列＆線圈順時針連接」或「磁鐵異極排列＆線圈順-逆-順-逆時針連接」方式擺置，能獲得最佳發電效能。最後，我們進一步研發「垂直軸風力發電充電器」，供手機和平板電腦進行充電。

本實驗量測食用油與混合食用油在不同溫度下的比熱變化，利用恆溫加熱板與自製卡計，搭配Arduino開發板與熱電偶溫度感測器來進行實驗，我們根據牛頓冷卻定律修正加熱板功率，得到自製的卡計相較於化學實驗用卡計有較高的精確度，再利用自製卡計量測0~60℃食用油的比熱。我們發現混合食用油的比熱皆高於原本的純油，食用油在高溫時比熱些微下降，比熱(S-T)呈下彎曲線；混合食用油在高溫時比熱明顯上升，比熱(S-T)呈上彎曲線，這兩個比熱特性或許是除了光譜儀，另外一個可以用來區分純油和混合油的方法。

實驗發現： [理論部分] 1、電壓越大，引電效果越好，頻率越小。 2、材質方面，引電效果紅銅＞黃銅＞鋁＞石墨＞不鏽鋼。 3、形狀方面，發現空心管引電效果稍優於實心；避雷針引電端角度越小，截面積越大引電效果越好，但截面積有最大極限。 4、避雷針數越多，能把電弧同時分散所有的針上，讓電流變小更安全。 5、溼度大，溫度小，引電效果越好。 [應用部分] 1、以高壓電弧電鍍發現，電鍍時間會縮短但也更容易與空氣中的氧氧化。 2、可發現皮較乾的蔬果，會被電弧打擊成小洞；皮薄汁多的蔬果，會被打成一定區域的凹痕；皮厚汁多的蔬果，會有一定範圍的碳化現象。 3、由電弧顏色發現柑橘科中果皮鈣離子含量大於果肉；而果皮過熟變黑反而讓鈣離子變多。

本研究主要探討在不同莫耳濃度的溶液中水分子擴散速率。本研究中，我們設計一種簡單的容器裝置，能左右分別注入兩液體並能於其中夾入一半透膜。我們首先利用此裝置探討在水和不同莫耳濃度的葡萄糖溶液中水分子的擴散速率，我們發現葡萄糖溶液的水柱初始上升速率趨近於線性，且上升斜率隨著葡萄糖濃度的增加而增加。但時間一久，隨著大量水分子的擴散，造成兩邊溶液的濃度差趨近於零，上升斜率的幅度變小而趨近平衡狀態。我們也發現如果兩邊都是葡萄糖溶液，且莫耳濃度差為一定值，所產生的水柱上升斜率會與一邊是水，另一邊容器注入此一差值的莫耳濃度葡萄糖溶液的情況相同。另一方面，如果我們使用一種莫耳濃度的硫酸銅溶液和水兩種溶液，在硫酸銅溶液容器邊所產生的液面上升斜率和兩倍於這種莫耳濃度葡萄糖溶液與水所產生的水柱上升斜率是相同的。之後，我們以理論推導出水分子在溶液中初始狀態的擴散速率。我們在本研究中，有三個重要創舉與貢獻：一、自行設計一種便於拆裝的兩個相接容器之實驗裝置，沒有漏水現象，且具再現性的實驗結果，提高實驗精確度。二、首創以「液面高度造成的壓力及水分子熱運動的碰撞」與「兩邊溶劑水分子數差異造成的擴散運動」的理論，推導出水分子在溶液中初始狀態的擴散速率。三、本研究中真正擴散通過半透膜者為「溶劑水分子」，所以針對溶劑濃度討論更能貼合實際應用。

為了預防在溪邊戲水造成的憾事，我們模擬水流經障礙物的流動，計算波紋中心曲率大小，探討障礙物後方水流的狀況，發現如下： 水溫越高，水流越紊亂；若障礙物大小佔河道的1/3~2/5時，水流容易被吸入後方區域，較為危險；若障礙物越尖銳或水流與障礙物夾角約30度，障礙物後方流速差異大，也須特別注意。若前方障礙物較小或與後方障礙物相同大小時，前後排列距離較近，可能會有被吸入的風險；前面障礙物較大時，後方安全區域則會變大。若大小相似障礙物左右排列距離較近，須注意兩側水流；若兩不同大小的障礙物排列距離較遠，則須注意小障礙物附近的區域，有可能被沖擊的危險。盡量避免以上的狀況，以保護自身安全。